Hochtemperatur-Hall-Messplatz

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R P h y si k a l ische M esstechni k I P M
1
2
1 Thermoelektrik: Strom erzeugen aus Temperaturdifferenzen.
2 »IPM-HT-Hall 900 K«: Charakterisierung und Optimierung von
HochtemperaturHall-MessPlatz:
Materialcharakterisierung bei 900K
Halbleitermaterialien bei hohen
Temperaturen bis über 600°C.
Charakterisierung von Halbleitern und
entstehende Spannung ermöglicht tiefe
thermoelektrischen Materialien
Einblicke in das untersuchte Leitermaterial.
Neben der Identifizierung der den Strom
Die Effizienz thermoelektrischer Module
tragenden Ladungsträger lassen sich
hängt wesentlich vom Material und dessen
deren Mobilität und deren Konzentration
Fraunhofer-Institut für
Eigenschaften ab – unter anderem von
bestimmen.
Physikalische Messtechnik IPM
der Anzahl, Art und Beweglichkeit der
Ladungsträger. Um diese Materialparameter
Effizienz thermoelektrischer
Heidenhofstraße 8
zu bestimmen, hat Fraunhofer IPM den
Materialien erhöhen
79110 Freiburg
Hochtemperatur-Hall-Messplatz »IPM-HTHall 900 K« entwickelt, der Material bei
Der Vorteil am »IPM-HT-Hall 900 K«: die
Temperaturen von etwa 20 bis 650 °C
Messung ist hochempfindlich und erfasst
charakterisiert. Denn moderne thermo-
bereits minimale Änderungen der Ladungs-
Dr. Jan D. König
elektrische Materialien werden inzwischen
trägerkonzentration – auch den Einfluss der
Gruppenleiter Thermoelektrik
bei sehr hohen Umgebungstemperaturen
Dotierung.
Telefon +49 761 8857-329
eingesetzt.
Ansprechpartner
[email protected]
www.ipm.fraunhofer.de/servicelab/es
»Dotieren« bezeichnet den Vorgang der
Das Messprinzip basiert auf dem Hall-
gezielten Zugabe von fremden Atomen in
Effekt, den der amerikanische Physiker
einen Halbleiter, um die Anzahl, Mobilität
Edwin Herbert Hall 1879 entdeckte. Er
und Art der Ladungsträgern zu beeinflus-
beobachtete, dass der Strom in einem
sen. Durch das Dotieren thermoelektrischer
Leiter durch das Anlegen eines Magnet-
Halbleiter lässt sich die Ladungsträgerkon-
feldes beeinflusst werden kann. Die dabei
zentration und somit auch die elektrische
4
3
Leitfähigkeit erhöhen, gleichzeitig sinkt
Fraunhofer IPM hat daher speziell für die
dadurch jedoch der Seebeck-Koeffizient,
Hall-Messung von 20 bis 650 °C einen
der die durch eine Temperaturdifferenz
neuen Messaufbau entwickelt, der die
entstehende elektrische Spannung im
schnelle und zuverlässige Messung nach
Edwin Hall war ein Pionier der
thermoelektrischen Material angibt.
dem Prinzip von Hall ermöglicht. Der neue
modernen Wissenschaft im 19. Jahr-
IPM-HT-Hall-Messplatz wurde erfolgreich
hundert. Er entdeckte 1879 mit seiner
Um die optimale Effizienz des thermoelek-
bis 650 °C getestet. An der Erweiterung
Arbeit zur Wechselwirkung zwischen
trischen Materials zu erreichen, müssen
des Messbereichs auf bis 800 °C wird
elektrischem Strom und Magnetismus
also beide Parameter beachtet werden:
derzeit gearbeitet.
das Verständnis der Materie deutlich
Edwin Hall
verbesserte. Er beobachtete, dass
die Ladungsträgerkonzentration und
der Seebeck-Koeffizient. Da in der Regel
Ladungsträgerkonzentration am
der Strom in einem Leiter durch
weniger als ein Dotieratom auf 1 000 000
Beispiel von Germanium-Proben
das Anlegen eines Magnetfeldes
beeinflusst werden kann. Messen kann
thermoelektische Materialatome kommt, ist
es wichtig, die exakte Dotierung z. B. mit-
Bild 6 zeigt temperaturabhängige Messun-
man diesen Effekt über die Spannung,
tels Hall-Messung zu überprüfen. Bei der
gen der Ladungsträgerkonzentration an
die senkrecht zum Strom wie auch
Entwicklung moderner thermoelektrischen
drei verschiedenen Germanium-Proben.
dem Magnetfeld am Leiter abgegriffen
Materialien ist daher die Hall-Messung ein
Reines, auch intrinsisches Germanium
wird.
wichtiges Hilfsmittel zur Optimierung der
genannt, zeigt den linearen Anstieg der
Materialeigenschaften.
Ladungsträger mit steigernder Temperatur.
Die Ladungsträger werden durch die Tem-
Hochtemperatur-Messung
peraturerhöhung thermisch aktiviert. Leicht
© Fraunhofer IPM 05/2015; Bilder: Kai-Uwe Wudtke (2), Fraunhofer IPM
dotiertes Material hat bei Raumtemperatur
Nicht nur die Dotierung, sondern auch die
mehr Ladungsträger als das Reinmaterial,
Umgebungstemperatur hat einen Einfluss
zeigt aber bei höheren Temperaturen den
auf die Anzahl der Ladungsträger. Je höher
gleichen linearen Anstieg der Ladungs-
die Temperatur, desto mehr Ladungsträger
träger, da auch hier mehr und mehr
werden aktiviert. Moderne thermoelekt-
Ladungsträger thermisch aktiviert werden.
rische Materialien werden beispielsweise
Sehr hoch dotiertes Material zeigt die
3 Die unterschiedlichen ther-
im Automobil inzwischen bei 600 °C und
höchste Ladungsträgerkonzentration bei
moelektrischen Parameter in
mehr eingesetzt.
Temperaturen nahe 600 °C konstant.
verschiedenen Materialien. Das ge-
5
meinsame Maximum der drei Pa-
Die bisher kommerziell verfügbaren Hall-
rameter, zusammengefasst durch
Messgeräte basierten auf Kryostatsystemen,
die Gützahl für thermoelektrische
sind also nur für tiefe Temperaturen von
Effizienz ZT, liegt am Übergang
etwa 4 K maximal 400 K ausgelegt. In dem
von Halbleitern zu Halbmetallen.
für moderne thermoelektrische Materialien
4 Vollkeramischer Messkopf für
interessanten Bereich von Raumtemperatur
Messungen bis über 600 °C.
bis oberhalb von 600 °C gab es bisher
5 Messung des Hall-Effekts.
6 Ladungsträgerkonzentration in
keine kommerziellen Systeme.
6
Germanium-Proben.